XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

Введение

В настоящий момент во многих странах в том числе и в России наблюдается рост производства электроэнергии путем применения автономных источников, благодаря широкой доступности газа и дизельного топлива. Основной причиной перехода на автономное энергоснабжение являются нарушение и перебои снабжения отдельных регионов и потребителей электрической и тепловой энергией, что не приемлемо для ответственных потребителей. Кроме того, проблемой являются большие потери в энергоснабжении при транспортировке, рост тарифов центральных сетей. Решением сложившейся ситуации является развитие автономных источников производства электроэнергии на базе газопоршневых установок.

Дизельные установки

Дизельным генератором называют агрегат, состоящий из двух основных узлов – электрического генератора и двигателя, работающего на дизеле. Данная система служит автономным (основным или резервным) источником электроэнергии и обеспечивает ее бесперебойную подачу. Благодаря своей мобильности и доступности топлива, дизельные станции незаменимы для труднодоступных районов.

Газотурбинные установки

Принцип работы газовых турбин состоит в следующем: газ, нагнетаемый в камеру сгорания компрессором, смешивается с воздухом, формируя топливную смесь, и поджигается. Образующиеся продукты горения с высокой температурой, проходя через несколько рядов лопаток, установленных на валу турбины, приводят к вращению турбины. Механическая энергия вала передается через (понижающий) редуктор электрическому генератору. Тепловая энергия выходящих из турбины газов поступает в теплоутилизатор. Наиболее традиционным видом топлива для газовых турбин является природный газ, хотя это не исключает возможности использования других видов газообразного топлива. При этом газовые турбины предъявляют повышенные требования к качеству его подготовки (механические включения, влажность).

Газопоршневые установки

В основе работы газопоршневых установок лежит принцип действия двигателя внутреннего сгорания.

Диапазон единичных мощностей ГПУ находится в районе от 0,1 до десятков МВт.

На практике применяют два типа поршневых двигателей:

С воспламенением от сжатия (аналог автомобильного или судового дизеля), которые могут работать на дизельном топливе или природном газе (с добавлением 5% дизельного топлива для обеспечения воспламенения топливной смеси). На рынке доступны модели от единиц киловатт до 15 мвт выходной электрической мощности.

С искровым зажиганием (аналог автомобильного бензинового двигателя). Электрическая выходная мощность двигателей этого типа, как правило, на 15-20% ниже, чем у дизелей (ограничивается специально для предотвращения детонации). Тепловая мощность у них также ниже, чем у дизелей. Двигатели с искровым зажиганием могут работать на чистом газе (природный газ, био и другие условно бесплатные газы).

Сравнение газопоршневых, газотурбинных и дизельных установок

Газопоршневые установки более эффективны по сравнения с газотурбинными и дизельными установками. На это есть ряд причин:

1. Наивысший электрический КПД - до 30% - у газовой турбины, и более 40% у газопоршневого и дизельного двигателя достигается при работе под 100%-ной нагрузкой (рисунок 1.1). При снижении нагрузки до 50%, электрический КПД газовой турбины снижается почти в 3 раза. Для газопоршневого двигателя такое же изменение режима нагрузки практически не влияет ни на общий, ни на электрический КПД.

газопоршневой двигатель газотурбинный двигатель

Рисунок 1.1 - Графики зависимости КПД от нагрузки

Графики наглядно показывают - газовые двигатели имеют высокий электрический КПД, который практически не изменяется в диапазоне нагрузки 50 - 100%.

2. Номинальный выход мощности как газопоршневого двигателя, так и газовой турбины зависит от высоты площадки над уровнем моря и температуры окружающего воздуха.

На графике (рисунок 1.2) видно, что при повышении температуры от - 30°С до +30°С электрический КПД у газовой турбины падает на 15-20%. При температурах выше +30°С, КПД газовой турбины еще ниже. В отличие от газовой турбины газопоршневой двигатель имеет более высокий и постоянный электрический КПД во всем интервале температур и постоянный КПД, вплоть до +25°С.

Рисунок 1.2 - График зависимости электрического КПД газовой турбины и двигателя от температуры окружающего воздуха

3. Количество пусков: газопоршневой двигатель может запускаться и останавливаться неограниченное число раз, что не влияет на общий моторесурс двигателя. 100 пусков газовой турбины уменьшают её ресурс на 500 часов.

4. Время до принятия нагрузки после старта составляет у газовой турбины 15-17 минут, у газопоршневого двигателя - 2-3 минуты.

5. Ресурс до капитального ремонта составляет у газовой турбины 20 000 - 30 000 рабочих часов, у газопоршневого двигателя этот показатель равен 60 000 рабочих часов. Стоимость капитального ремонта газовой турбины с учётом затрат на запчасти и материалы значительно выше.

6. Более дешёвое топливо. Газовое топливо значительно дешевле дизельного, разница в цене отражена в диаграммах на рисунке 1.3. Даже при использовании в качестве резервного топлива газовой смеси пропан-бутан, стоимость единицы электрической энергии, произведённой на газопоршневой установке, в 1,3 раза меньше, чем на дизельной.

Рисунок 1.3 - Сравнение затрат на топливо

7. Экологическая безопасность, у газовых установок уровень выбросов NOx (оксиды азота) в 3 раза меньше, чем у дизельных (рисунок 1.4).

Рисунок 1.4 - Уровень вредных выбросов

Заключение

Проанализировав сравнение автономных источников, можно сделать вывод, что для энергоснабжения отдаленных потребителей (до 4-5 МВт) самым оптимальным вариантом является применение ГПУ в качестве основного источника по ряду причин:

Основные преимущества газопоршневых двигателей перед газотурбинными:

- высокий электрический КПД - почти независит от снижения нагрузки;

- условия размещения - газопоршневой двигатель практически не зависит от температуры и имеет более высокий и постоянный электрический КПД во всем интервале температур;

-условия работы -газопоршневой двигатель может запускаться и останавливаться неограниченное число раз, что не влияет на общий моторесурс двигателя;

- быстрое время запуска - время до принятия нагрузки после старта составляет 2-3 минуты;

- высокий ресурс до капитального ремонта;

Основные преимущества газопоршневых двигателей перед дизельными:

- более дешёвое топливо;

- экологическая безопасность, уровень выбросов ниже.

Список литературы

1. Салихов А. А., Фаткуллин Р. М., Абдрахманов Р. Р., Щаулов В. Ю. Об опыте эксплуатации газопоршневых мини-ТЭЦ в ОАО Башкирэнерго// «Электрические станции» № 11, 2003, С. 6 – 15.

2. Интернет-ресурс: http://www.capstone.ru; (дата обращения 03.02.2023).

3. Замоторин, Р. В. Малые теплоэлектроцентрали — поршневые или турбинные // Энергосбережение в Саратовской области. 2001. № 2.

4. Интернет-ресурс: http://genport.ru; (дата обращения 03.02.2023).

5. Справочник по электроснабжению промышленных предприятий. Промышленные электрические сети. 2-е изд., перераб. и доп./ Под общ. ред. А.А. Фе-дорова и Г.В. Сербиновского. – М.: Энергия, 1980. – 576 с.

Код для цитирования: Скопировать